Rotationsdruckmaschine mit energieautarken Sensorsystemen

Die Erfindung betrifft eine Rotationsdruckmaschine mit energieautarken Sensorsystemen in rotierenden, schwingenden oder umlaufenden Bauteilen der Rotationsdruckmaschine.

Es besteht vielfach der Wunsch in bewegliche Teile der Druckmaschine Sensoren zu integrieren, um physikalische oder elektrische Kenngrößen zu bestimmen. Eine solche Größe kann zum Beispiel die Temperatur, die Kraftbeistellung zwischen zwei Walzen, die Farbfilm- oder Feuchtfilmdicke zwischen zwei Walzen oder auf der Walzenoberfläche, die Emulsionsbildung auf der Walze, die Umlaufgeschwindigkeit bzw. den Schlupf oder die Verformung einer Walzenoberfläche sein.

im Unterschied zu einem konventionellen Sensor wird für einen energieautarken Sensor gefordert, dass er an keine Leitungen gebunden ist, die außerhalb des beweglichen Teils der Druckmaschine reichen. Hierdurch wird die teure und wegen der Verschmutzungsproblematik in den Druckmaschinen fehleranfällige Da- ten- und Energieübertragung über Drehübertrager vermieden. Der energieautarke Sensor soll sich selbst, die Konditionierelektronik und die drahtlose Signalübertragung mit Energie versorgen. Dazu wird gefordert, dass die Energie nicht von außen eingestrahlt und dass durch die Energieumwandlung auch keine Beeinflussung anderer Prozesse im Umfeld erfolgt. Dadurch unterscheidet sich der ener- gieautarke Sensor von Lösungen mit äußerer Energieeinstrahlung oder induktiver Energieübertragung.

Als erfindungsgemäße Definition eines energieautarken Sensors für den Einsatz in Rotationsdruckmaschinen gilt daher folgendes:

Der energieautarke Sensor für den Einsatz in Druckmaschinen besteht aus mechanischen und/oder elektrischen Elementen, mit deren Hilfe er sich selbst mit

Energie aus dem Umfeld versorgt. Die von ihm zu erfassende physikalische Größe wird in eine elektrische Größe umgewandelt bzw. beim Messen elektrischer Größe das elektrische Signal direkt oder nach einer Umformung desselben als Messinformation drahtlos übertragen.

Die Sensoreingangsgrößen können in Abhängigkeit des verwendeten physikalischen Prinzips aktiv oder passiv in elektrische Größen umgeformt werden. Der aktive Wandler erzeugt dabei direkt aus der physikalischen Größe eine elektrische Größe. Der passive Wandler benötigt hingegen eine elektrische Hilfsgröße, die von der physikalischen Größe beeinflusst wird.

Der energieautarke Sensor besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Baugruppen, dem Energieversorgungssystem und dem Sensorsystem. Beide haben die Aufgabe nichtelektrische Größen in elektrische Größen umzuformen. Die Energiever- sorgung soll dabei dem jeweiligen Umfeld Energie entziehen, ohne die vom Sensor zu erfassende Messgröße zu beeinflussen. Im Netzteil des Energieversorgungssystems wird die elektrische Größe des Energiewandlers an die Erfordernisse des Betriebs des Sensors angepasst. Das Netzteil kann auch einen Energiespeicher in der Form eines oder mehrerer Kondensatoren und/oder aufladbaren Batterien haben. Dabei bieten wiederaufladbare Kondensatoren hoher Kapazität, die als Doppeltschichtkondensatoren (auch Superkondensatoren, Supercaps, Ultracaps etc. bezeichnet), besondere Vorteile. Sie können auch bei niedrigen Temperaturen vollständig aufgeladen werden, sind sehr stabil gegen Vibrationen und Stöße, wie sie in Druckmaschinen vorkommen und können mit einer einfa- chen Ladeelektronik versorgt werden. Sie sind im Gegensatz zu klassischen Kondensatoren elektrochemische Energiespeicher und speichern bei gleichen Volumen bedeutend mehr Energie als konventionelle Kondensatoren. Im Vergleich zu einer Batterie können sie diese auch sehr viel schneller abgeben.

Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Sensor auch aktiv sein kann, wenn keine Umgebungsenergie zur Verfügung steht bzw. die von dem gewonnene Energie kann zwischengespeichert werden, um dann situationsbedingt zur Verfügung ge-

stellt werden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn nur zu definierten Zeitpunkten eine Messung erfolgen soll, zum Beispiel zeit- oder ereignisgesteuert.

Die Möglichkeiten der Energieumwandlung aus dem Umfeld sind dabei sehr viel- fältig. In Druckmaschinen wird dabei im Wesentlichen die Bewegungsenergie der bewegten Teile benutzt. Sie wird aus mechanischer Energie in Form von Schwingungen, Vibrationen oder Druckkräften gewandelt. Sie kann unter anderem durch die Veränderung einer aufgeladenen Kapazität (Spannungsdifferenz aus der Veränderung des Plattenabstandes) oder durch mechanische Druckkräfte auf piezo- elektrische Materialien (Spannungsdifferenz aus der Verschiebung von Ladungen infolge der Gefügeänderungen) erfolgen. Insbesondere die piezoelektrischen Materialien eignen sich wegen Ihrer Robustheit und Langlebigkeit für den Einsatz in Druckmaschinen.

Eine ähnliche Problematik wie in Druckmaschinen ist in Fahrzeugen mit rotierenden Teilen zu finden. So beschreibt die Patentoffenlegungsschrift DE 10 2004 006 295 A1 ein energieautarkes System zur überwachung des Reifendrucks. Als E- nergiegenerator zur Energieversorgung des Reifendrucksensors wird ein mechanisch-elektrischer Wandler eingesetzt, der mechanische Energie aus Vibrationen und Verformungen des Rades in elektrischer Energie umwandelt. Bevorzugt weist dabei der Generator ein Piezoelement auf, insbesondere eine piezoelektrische Beschichtung oder Piezofasem bestehend. Die Ausnutzung des Piezoeffektes beutet die Verformungen/Vibrationen effektiv aus, und über eine Beschichtung bzw. Fasern lässt sich das Element in jeder gewünschten Form ausbilden.

Die DE 102005007061 A beschreibt die Verwendung von energieautarken Systemen in Bekleidungsstücken und Autoreifen. Dabei wird das verwendete Piezomo- dul nicht nur zur Spannungserzeugung, sondern auch als Sensor genutzt.

Die WO 2004/038820 sieht energieautarke Sensorsysteme für die überwachung unter anderem von Flugzeugteilen vor. Die Energieversorgung durch Piezoele-

mente wird dabei auf die auftretenden Vibrationen des Bauelementes abgestimmt, um eine optimale Energieausbeute zu erlangen.

An keiner Stelle wird auf die Verwendung in Druckmaschinen oder auf die Messung von drucktechnischen Kenngrößen hingewiesen.

Der Einsatz von Aktoren zur passiven oder aktiven Schwingungsdämpfung ist unter anderem aus DE 102005058786 A1 , DE 102005058787 A1 , EP 1820643 A2 oder der EP 1837178 A2 bekannt. Dort gibt es aber keinen Hinweis zur Versorgung von Sensoren und/oder Energiespeichern mittels aus den Schwingungen und/oder Vibrationen gewonnener Energie. Vielmehr sollen unter anderem die Schwingungen durch Rückkoppelung gedämpft werden.

Aufgabe ist es also Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein einfaches, gut steuerbares Sensorsystem mit energetischer Selbstversorgung für den speziellen Einsatz in der Drucktechnik zu schaffen.

Die Erfindung beschreibt ein energieautarkes Sensorsystem zum Einsatz in einer Rotationsdruckmaschine, wobei dieses aus mechanischen und/oder elektrischen Elementen besteht, mit deren Hilfe es sich selbst mit Energie aus dem Umfeld ver- sorgt. Die von ihm zu erfassende physikalische Größe wird in eine elektrische

Größe umgewandelt bzw. beim Messen elektrischer Größe das elektrische Signal direkt oder nach einer Umformung desselben als Messinformation drahtlos übertragen.

Die gemessenen Größen können dabei die Beistellungen zwischen zwei Walzen, die Temperatur der Walzen, der Schlupf zwischen zwei Walzen, die Viskosität des Fluids auf der Walze, der Tack des Fluids auf der Walze, die Farbschicht- und/oder Feuchtfilmdicke, die Emulsionsbildung zwischen Färb- und Feuchtmittel, die Lage einer Druckform auf einem Druckformzylinder, die Beistellung des Druck- formzylinders zum Bedruckstoff, die Biegesteifigkeit oder der Trocknungsgrad einer Druckfarben- oder Lackschicht sein. Jede weitere Sensorform und Messgröße sind dabei denkbar. Für jede dieser Messaufgaben sind Sensorlösungen bekannt.

Erfindungswesentlich ist, dass diese als energieautarke Systeme betrieben werden. Neben dem schon angeführten Einsatz in Druckwalzen, ist auch der Einsatz in Zylindern der Druckmaschinen, in schwingenden Systemen, wie dem Farbheber oder dem Vorgreifer einer Bogendruckmaschine denkbar. Prinzipiell ist jeder Ein- bauort in einer Rotationsdruckmaschine, der genügend Umgebungsenergie zur Verfügung stellt, geeignet.

Die Messung der physikalischen Größe kann dabei fortlaufenden oder nur zu definierten Zeitpunkten erfolgen. Diese definierten Zeitpunkte können zeitgesteuert, kennliniengesteuert oder über ein externes Triggersignal ausgelöst werden. Oftmals ist es jedoch ausreichend, wenn von Zeit zu Zeit eine Messung ausgelöst wird, zum Beispiel, wenn in dem Energiespeicher genügend Energie zur Durchführung der Messung zur Verfügung gestellt werden kann. Für die nichtkontinuierliche Messung muss daher die gewonnene Energie im Energieversorgungssystem in einem Energiespeicher, zum Beispiel einem Akkumulator und/oder einem Doppelschichtkondensator zwischengespeichert werden. Durch eine geeignete Schaltung wird die zwischengespeicherte Energie dann zu dem gewünschten Zeitpunkt freigegeben.